Исследование метода селективного лазерного спекания для упрочнения почвообрабатывающих рабочих органов

Полный текст

Обработка почвы при производстве сельскохозяйственной продукции – одна из особенно важных и энергозатратных операций. От качества ее проведения зависит урожайность сельскохозяйственных культур. В свою очередь качество обработки почвы определяют характеристики машин и орудий, которые зависят от состояния и параметров рабочих органов [1, 2, 3]. Последние эксплуатируются в почвенной среде с большим содержанием абразивных частиц, в результате чего по мере увеличения объема выполненной работы возрастает износ рабочего органа, при этом меняются его форма и линейные размеры, что отрицательно влияет на агротехнические характеристики выполняемых операций и увеличивает нагрузку на агрегат [4, 5]. В связи с изложенным повышение эксплуатационных параметров и наилучшее формообразование лезвийной части рабочих органов почвообрабатывающих машин – важная и актуальная задача.

В последние годы активно развивается технология SLS – Selective Laser Sintering, которая подразумевает печать CAD (Computer-aided design) -моделей из металла. Ее можно в том числе рассматривать как перспективный способ изготовления рабочих органов машин для обработки почвы и нанесения на них упрочняющего слоя. Селективное лазерное спекание, в отличие от традиционных методов наплавки, позволяет наносить слои любой конфигурации с равномерным распределением твердых частиц металлопорошка. Нанесение тонкого упрочняющего слоя снижает риск возникновения широкой затылочной фаски, улучшая качество обработки почвы [2].

Один из основных недостатков существующих методов нанесения покрытий при упрочнении рабочих органов – неравномерная микротвердость наплавляемого слоя из-за того, что частицы вольфрама при проведении технологической операции наплавка не успевают полностью раствориться в ванне жидкого металла и концентрируются на дне расплава. При наплавке пилотная дуга, постоянно горящая между вольфрамовым электродом и соплом плазмотрона, оказывает мощное тепловое воздействие не только на порошок, подаваемый в плазменную струю, но и на металл ванны в зоне упрочнения, что вызывает перегрев сплава и основы детали [6, 7, 8].

Нанесение покрытий при упрочнении рабочих органов методом селективного лазерного спекания (SLS) не требует полного расплавления частиц тугоплавкого материала и последующей термической обработки, так как интенсивность теплового излучения недостаточна для изменения свойств материала основы. Его преимущество заключается в возможности формирования покрытия любой конфигурации толщиной от 1 мм.

Цель исследования – оценить эффективность метода селективного лазерного спекания (SLS) при упрочнении почвообрабатывающих рабочих органов.

Методика. Для формирования двухслойного лезвия экспериментального образца использовали два метода: селективное лазерное спекание (SLS), которое предусматривает нанесение упрочняющего слоя на основу детали 3D металлопорошковым принтером, и в качестве варианта сравнения плазменно-порошковую наплавку в среде сжатого воздуха как наиболее распространенный на сегодняшний день метод нанесения защитного слоя.

Для проведения сравнительных исследований по определению износостойкости экспериментальных деталей были изготовлены 4 образца из стали 30ХГСА (ГОСТ 4543-2016), используемой при производстве рабочих органов для обработки почвы. Образцы № 1 и № 4 упрочняли методом плазменно-порошковой наплавки с использованием металлического порошка марки ФБХ-6-2. Образец № 4, изготовленный по стандартной технологии, выступал в роли контрольного, с которым в последующем проводили сравнение. Образцы № 2 и № 3 упрочняли методом селективного лазерного спекания (SLS). Он дает возможность использовать порошки с более высокой тугоплавкостью и твердостью, увеличивая ресурс и снижая толщину наносимого слоя. Поэтому на экспериментальные образцы наносили металлический порошок Р6М5 со сферическими частицами среднего размера от 40 до 110 мкм. Спекание проводили при мощности лазера 350 Вт; скорости сканирования – 0,03 м/с; расстоянии между дорожками сканирования – менее 100 мкм; толщине слоя при спекании – 450 мкм; стратегия сканирования – однонаправленная.

Упрочнение образцов № 2 и № 4 осуществляли в соответствии со стандартной технологией производства почвообрабатывающих рабочих органов, которая предусматривает нанесение упрочняющего слоя перед термообработкой (закалка с последующим отпуском) рабочих органов. Образцы № 1 и № 3 подвергали термообработке до нанесения упрочняющего слоя.

Эффективность упрочнения оценивали на круговом почвенном стенде (рис. 1), конструкция которого предусматривает монтаж до двух образцов одновременно. Результаты таких испытаний сопоставимы с полевыми [9]. В процессе испытаний каждый из образцов подрезает пласт абразивной массы, имитирующей почву, которой наполнен канал, что вызывает их износ. Рыхлители 5 разрушают подошву после прохождения образцов, обеспечивая однородную твердость и влажность среды. Это позволяет поддерживать равномерную плотность массы над и под образцами, благодаря чему лезвие изнашивается аналогично почворежущим деталям в реальных условиях. Для уравновешивания влажности в разрыхленный слой подается вода из резервуара 6 через капельницу 7. Уплотнительные катки 3 с грузами 4 обеспечивают постоянную плотность почвы в канале [10].

 

Рис. 1. Круговой почвенный стенд: 1 – каркас, 2 – приводной механизм, 3 – уплотнительные катки, 4 – грузы, 5 – рыхлители, 6 – резервуар для воды, 7 – капельница, 8 – круговой почвенный канал, 9 – приспособление для крепления испытуемых образцов, 10 – гнездо для установки, 11 – испытуемый образец

 

Лабораторные испытания проводили в следующих условиях: абразивная масса – песок крупный (80 %) + глина (20 %), скорость перемещения образцов – 2 м/с, глубина хода образцов – 14…15 см, цикл испытаний – 152 ч, размеры образцов – 6×30×60мм.

Поверхностную твердость основы образца и его упрочняющего покрытия определяли методом измерения твердости по Роквеллу в соответствии с ГОСТ 9013-59 (ИСО 65-86) на твердомере HDRVU-187,5 (Китай). Измерение твердости проводили в зоне защитного слоя (рис. 2a) и зоне основы образца (см. рис. 2c). Кроме того, было выдвинуто предположение, что при нанесении защитного слоя методом плазменной порошковой наплавки металл может потерять твердость (отпуститься), для его уточнения проводили замеры на расстоянии 10 мм от места наплавки (зона b).

 

Рис. 2. Модель нагрева образца при упрочнении: а) плазменно-порошковой наплавкой (образец № 1, № 4); б) селективным лазерным спеканием (образец № 2, № 3): а – зона защитного слоя, b – 10 мм от наплавки, с – основа образца

 

Для определения конструктивно-материаловедческих параметров экспериментальных образцов проводили расчет толщины защитного слоя по упрощенной методике, разработанной С. А. Сидоровым [9], которая базируется на учете максимальной линейной и конструкционной износостойкости. В ее основе лежит формула для сравнительной оценки линейного износа двухслойного почворежущего лезвия, точность вычислений с использованием которой составляет 12…17 %:

$U_{лин.1}=U_{лин.двухсл.}{\left(\frac{K_{U_2}}{K_{U_1}}\right)}^{0,5...0,6}{\left[1+K_{U_{тв.спл.}}\frac{h_{тв.спл.}}{b_{осн}}\right]}^{0,7...0,8}$, (1)

где U_лин.1 – линейный износ однородного почворежущего лезвия, изготовленного из материала с коэффициентом относительной износостойкости K_U1, в определенных почвенно-климатических условиях, мм; U_{лин.двухсл.} – линейный износ двухслойного упрочненного наплавленного почворежущего лезвия в тех же почвенно-климатических условиях, мм;  – коэффициент относительной износостойкости материала основы двухслойной детали (стали) повышенной (или пониженной), по отношению к сравниваемому () материалу;  – коэффициент относительной износостойкости материала упрочняющего твердосплавного слоя; h_тв.спл. – толщина слоя твердого сплава двухслойного лезвия, мм; bосн – толщина материала основы (стали) двухслойного лезвия, мм.

После проведения лабораторных испытаний на круговом почвенном стенде рассчитывали относительную износостойкость образцов, полученных с использованием каждого метода. Ее определяли как отношение линейных износов [9].

На износостойкость также влияет правильное формообразование изнашивающегося лезвия. Для его достижения у двухслойного лезвия рабочего органа почвообрабатывающего агрегата износ основы детали в процессе эксплуатации должен быть несколько выше, чем у наплавленного слоя. При этом наплавка должна сопротивляться образованию затылочной фаски, чтобы сохранить остроту лезвия [12, 13, 14].

Для определения износостойкости твердосплавного покрытия используется следующая формула:

${К}_{ли}=\frac{U_{лСер.}}{U_{лОп.}}$, (2)

где К_ли – коэффициент линейной износостойкости; U_лСер – линейный износ монометаллического (серийного) фрагмента, мм; U_лОп. – линейный износ опытного двухслойного наплавленного фрагмента, мм.

Раннее было установлено, что линейный износ монометаллического образца составляет 3,2 мм. Эта величина была принята за эталон [5]. Испытания упрочненных экспериментальных образцов проводили в соответствии с Программой и методикой лабораторных испытаний твердосплавных материалов ФГБНУ ФНАЦ ВИМ [9, 10, 11].

Результаты и обсуждение. В ходе многолетних исследований выявлено, что достаточно хорошие условия формообразования лезвийной части рабочих органов наблюдаются при соотношении линейных износов однослойного и двухслойного почворежущих рабочих органов, равном 1,7…1,8 [9, 11].

Приняв, что , то есть материал основы сравниваемых образцов идентичен, получим:

$\frac{U_{лин.\left(1\right)}}{U_{лин.двухсл.}}={\left[1+K_{U_{тв.спл.}}\frac{h_{тв.спл.}}{b_{осн}}\right]}^{0,7...0,8}>1,7...1,8$. (3)

После упрощения формула (2) примет вид:

$h_{тв.спл.}>\frac{1,38b_{осн}}{K_{U_{тв.спл.}}}$. (4)

Для экспериментальных образцов толщина материала основы (b_осн) равна 6 мм.

С учетом того, что для металлического порошка марки ФБХ-6-2 усредненное значение  равно 4,05, зависимость (3) примет вид:

$h_{тв.спл.}>\frac{1,38\times 6}{4,05}, то есть h_{тв.спл.}>2,1 мм$.

Для твердого сплава Р6М5 усредненное значение  равно 6,5, тогда:

$h_{тв.спл.}>\frac{1,38\times 6}{6,5}, то есть h_{тв.спл.}>1,44 мм$.

Износ двухслойного лезвия экспериментального образца можно приближенно (с точностью 12…15 %) определить по зависимости [9]:

$U_{лин.лезв.двухсл.}=\frac{\lambda \left(\mathrm{1,1}+\mathrm{1,05}\cdot T^{\mathrm{1,25}}\right)}{K_{U_{тв.спл.}}\cdot h_{тв.спл.}^{\mathrm{0,5}}}\times \tau$, (5)

где λ – математическое описание изнашивающей способности почвы (определяется по методике Сидорова С. А. [9]), мм/га; Т – твердость почвы на глубине обработки, МПа; K_{Uтв.спл.} – коэффициент относительной износостойкости твердого сплава (относительно материала основы лемеха); h_тв.спл. – толщина твердосплавного упрочняющего слоя, мм; τ – наработка на лемех, га.

Величина показателя λ определяется по следующей эмпирической зависимости:

$\lambda =\left(X^2+\mathrm{0,8}Y+\mathrm{1,5}Z\right)\times T^{\frac{1}{4}}$, (6)

где Х, У, Z – содержание в почве (по массе), соответственно, песка, глины и мелких каменистых включений (гравия, гальки и др.) в долях единицы, то есть Х + У + Z = 1 (100 %).

Исходя из условий испытаний, X = 0,8, Y = 0,2 и Z = 0.

Рассчитаем λ по толщине элементарной площадки для кругового почвенного стенда:

$\lambda =\left({\mathrm{0,8}}^2+\mathrm{0,8}\times \mathrm{0,2}+\mathrm{1,5}\times 0\right)\times 1^{\frac{1}{4}}=\mathrm{0,64} мм/га$.

С учетом этого износ двухслойного лезвия экспериментального образца, наплавленного твердым сплавом ПР-ФБХ-6-2, будет равен:

$U_{лин.лезв.двухсл.}=\frac{\mathrm{0,64}\left(\mathrm{1,1}+\mathrm{1,05}\times 1^{\mathrm{1,25}}\right)}{4\times {\mathrm{2,1}}^{\mathrm{0,5}}}\times 6=\mathrm{1,42} мм$;

образца, наплавленного твердым сплавом Р6М5, –

$U_{лин.лезв.двухсл.}=\frac{\mathrm{0,64}\left(\mathrm{1,1}+\mathrm{1,05}\times 1^{\mathrm{1,25}}\right)}{\mathrm{6,5}\times {\mathrm{1,44}}^{\mathrm{0,5}}}\times 6=\mathrm{1,05} мм$.

Результаты расчетов свидетельствуют о том, что упрочнение рабочих органов почвообрабатывающих машин методом селективного лазерного спекания приводит к сокращению использования твердого сплава на 32 % и увеличению износостойкости на 26 %.

Уменьшение твердости образца № 1 с предварительной термообработкой, упрочненного плазменно-порошковой наплавкой, в зоне b составило около 10 единиц HRC (табл. 1). Это обусловлено тем, что материал вокруг упрочненного слоя подвергся отпуску в процессе упрочнения, которое происходит при больших температурах. Аналогичную потерю твердости наблюдали у образца № 4. При замерах в зоне b после упрочнения она в среднем была меньше на 2 единицы HRC. Но после закалки с последующим отпуском все вернулось в норму.

 

Таблица 1. Показатели твердости в зависимости от метода нанесения упрочняющего слоя и времени термообработки, HRC

Зона	Упрочнение до термообработки			Упрочнение после термообработки
	начальное состояние	упрочнение	термообработка	начальное состояние	термообработка	упрочнение
SLS
	образец № 2			образец № 3
a	-	72,6	65	-	-	73
b	14,8	14,6	45,3	14,8	43,3	43,4
c	14,2	14,3	43,4	14,2	44,4	44,2
Плазма
	образец № 4			образец № 1
a	-	61,3	62	-	-	61
b	15,6	13,7	45	14,8	43,5	35
c	15	14,6	44	14,4	43,2	44,5

 

Исследование образца № 3 подтвердило результаты априорного анализа [9, 11], согласно которым при спекании не требуется дальнейшего проведения технологической операции закалка. У упрочненного слоя этого образца (зона a) отмечена максимальная в опыте твердость. Кроме того, подтвердилось незначительное температурное воздействие и отсутствие перегрева зоны b, о чем свидетельствует незначительное снижение ее твердости (менее 1 единицы HRC). У образца № 2 нанесение упрочняющего слоя с последующей закалкой сопровождалось уменьшением твердости упрочняющего слоя (зона a) на 7 единиц HRC. При этом параметры твердости основы после закалки находились в требуемых границах для рассматриваемого материала.

Анализ образца № 1, наплавленного плазменным методом после термообработки, подтвердил предположение о повышенном тепловложении, из-за которого происходит потеря твердости около защитного слоя в зоне b (см. рис. 2а). В результате его основа визуально (рис. 3) износилась сильнее, чем у образца № 4, который упрочняли перед термообработкой. Этот факт подтверждает и более высокий (на 0,1 мм) линейный износ образца № 1 (1,2 мм) по сравнению с образцом № 4 (табл. 2). Износостойкость образца № 1 была меньше, чем у образцов № 3 и № 4.

 

Рис. 3. Экспериментальные образцы (верх – первоначальное состояние, низ – изношенное состояние), упрочненные методом плазменно-порошковой наплавки в среде сжатого воздуха (а – образец № 4; б – образец № 1) и методом селективного лазерного спекания (в – образец № 2; г – образец № 3)

 

Таблица 2. Результаты сравнительных лабораторных испытаний твердосплавных покрытий на круговом почвенном стенде

Образец и марка твердосплавного покрытия	Способ упрочнения	Твердость, HRC	Толщина покрытия, мм	Средний линейный износ, мм		Коэффициент линейной износостойкости (Клин)
				с покрытием	без покрытия (эталона)
№ 2 Р6М5	селективное лазерное спекание	61...65	1,44	1,30	3,2	2,29
№ 3 Р6М5		70...73	1,44	0,83		3,80
№ 1 ПГ-ФБХ-6-2	плазменная наплавка	59...61	2,10	1,20		2,70
№ 4 ПГ-ФБХ-6-2		59...62	2,10	1,10		2,90

 

Сравнение деталей, наплавленных методом SLS, показало, что у образца № 2 линейный износ (1,3 мм) был больше, чем у образца № 3, на 0,47 мм, поскольку упрочняющий слой под воздействием термообработки потерял часть твердости, то есть уменьшилась его способность противостоять износу. В целом наибольшую износостойкость, по сравнению с другими образцами, продемонстрировал образец № 3.

Выводы. При проведении термообработки перед нанесением упрочняющего слоя методом плазменно-порошковой наплавки происходит потеря твердости в зоне 10 мм от наплавки на уровне 10 HRC. Использовании метода селективного лазерного спекания (SLS) дает возможность решить эту проблему. При его использовании аналогичной потери твердости не наблюдали.

Результаты исследований подтвердили высокий ресурс и эффективность применения селективного лазерного спекания с использованием новых твердых сплавов для упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих орудий.

При использовании метода селективного лазерного спекания экономия твердого сплава составляет 32 %, износостойкость экспериментальных образцов в сравнении с деталями, упрочненными плазменным методом, по расчетным данным возрастает на 26 %, по результатам лабораторных исследований в круговом почвенном канале – на 24 %.

Об авторах

Д. А. Миронов

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ

Автор, ответственный за переписку.
Email: nano.otdel@mail.ru

кандидат технических наук

Россия, Москва

А. К. Ламм

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ

Email: nano.otdel@mail.ru

младший научный сотрудник

Россия, Москва

Р. К. Расулов

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ

Email: nano.otdel@mail.ru

младший научный сотрудник

Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы